本文將介紹幾種不同類型之切換開關穩壓器的固有雜訊，包括切換開關漣波、寬頻雜訊和高頻尖峰，還將討論和分析與輸入雜訊抑制相關的切換開關穩壓器電源抑制比(PSRR)。設計低雜訊切換開關穩壓器時，為了消除低壓差(LDO)後置穩壓器以提高功率轉換器效率、減小解決方案尺寸並降低設計成本，全面瞭解切換開關穩壓器雜訊是非常重要的。
一般而言，與LDO穩壓器輸出相比，人們認為傳統切換開關穩壓器的輸出電壓雜訊很大。然而，LDO電壓會引起嚴重的額外熱問題，並使得電源設計更加複雜。全面認識切換開關穩壓器雜訊有其必要，有助於設計低雜訊切換開關解決方案，使之產生與LDO穩壓器相當的低雜訊性能。本文分析和評估的目標是採用電流模式控制的降壓穩壓器，因為它在應用中最常用。訊號分析是瞭解切換開關漣波雜訊、當前寬頻雜訊特性(及其來源)、切換開關引起的高頻尖峰雜訊的主要方法。本文將討論切換開關穩壓器PSRR(其對輸入雜訊抑制很重要)以及訊號分析方法。
切換開關漣波雜訊
本部分依據基波和諧波理論介紹降壓轉換器輸出漣波計算公式。
根據切換開關穩壓器拓撲結構和基本操作，漣波始終是切換開關穩壓器中的主要雜訊，因為峰值電壓幅度一般為幾mV到幾十mV。它應被視為週期性且可預測的訊號。如果以固定切換開關頻率工作，則可在時域中透過示波器或在頻域中透過傅立葉分解，便可很容易將其識別並進行測量。
圖1所示為典型的降壓穩壓器。兩個切換開關交替接通和斷開，因此SW節點電壓VSW是一個理想的方波，此特性進而傳遞到工作週期和輸入電壓。VSW可以透過下面的公式表示：
圖1 降壓穩壓器拓撲
其中，VIN為輸入電壓，D為工作週期；對於降壓穩壓器，其等於VOUT/VIN。
VIN確定後，VSW基波和諧波成分僅取決於工作週期。圖2顯示了與工作週期相關的VSW基波和諧波幅度。當工作週期接近一半時，漣波幅度以基波為主。降壓穩壓器輸出LC級傳遞函數如下：
圖2 降壓穩壓器VSW幅度與工作週期的關係
其中，L為輸出電感值，DCR為電感電阻值，CL為電感並聯電容值，COUT為輸出容量值，ESL為電容串聯電感值，ESR為電容串聯電阻值。
因此，VOUT可表示如下：
為了簡化計算，假設輸出LC級為20dB/十倍頻程，然後是與工作週期相關的VOUT漣波基波和諧波幅度，如圖3所示。當工作週期接近一半時，三次或奇數次諧波將高於偶數次諧波。由於LC抑制，較高的諧波將具有較低的幅度，並且與總漣波幅度相比，其比例非常小。同樣，基波幅度是切換開關穩壓器輸出漣波中的主要成分。
圖3 降壓穩壓器VOUT漣波幅度與工作週期的關係
對於降壓穩壓器，基波幅度與輸入電壓、工作週期、切換開關頻率和LC級有關；但是，所有這些參數都會影響應用要求，如效率和解決方案尺寸等。為了進一步降低漣波，建議可增加後置濾波器。
寬頻雜訊
切換開關穩壓器中的寬頻雜訊是輸出電壓上的隨機幅度雜訊。它可以透過整個頻率範圍內的雜訊密度來表示，單位為V/√Hz或以Vrms來表示，其與頻率範圍內的密度不可分。由於矽製程和基準電壓源濾波器設計的限制，寬頻雜訊主要位於切換開關穩壓器的10Hz至1MHz頻率範圍內，在低頻範圍內很難透過增加濾波器來將其降低。
典型降壓穩壓器寬頻雜訊峰峰值幅度電壓約為100μV至1000μV，遠低於切換開關漣波雜訊。如果使用額外的濾波器來降低切換開關漣波雜訊，則寬頻雜訊可能成為切換開關穩壓器輸出電壓的主要雜訊。圖4顯示了當沒有額外濾波器時，降壓穩壓器輸出雜訊的主要來源是切換開關漣波。圖5顯示了當使用額外濾波器時，輸出雜訊的主要來源是寬頻雜訊。
圖4 無額外濾波器的VOUT
圖5 有額外濾波器的VOUT(使用1000倍前置放大器進行測量)
為了識別和分析切換開關穩壓器輸出寬頻雜訊，必須獲得穩壓器控制方案和模組雜訊資訊。例如，圖6顯示了典型的電流模式降壓穩壓器控制方案和模組雜訊源注入。
圖6 典型電流模式降壓穩壓器控制方案
對於獲得的控制迴路傳遞函數和模組雜訊特性資訊，其中有兩種不同的雜訊：迴路輸入雜訊和迴內雜訊。控制迴路頻寬內的迴路輸入雜訊會傳輸到輸出，而迴路頻寬之外的雜訊會被衰減。對於切換開關穩壓器，設計低雜訊EA和基準電壓源至關重要，因為單位回饋增益會保持雜訊水準不變，而不是隨著輸出電壓位準增加而提高它。最大的挑戰是找出整個系統中最大的雜訊源，並在電路設計中降低該雜訊。而目前市面上也有降壓穩壓器針對低雜訊技術進行了優化，如ADP5014透過採用電流模式控制方案和一個簡單的LC外部濾波器，在10Hz至1MHz頻率範圍內可實現低於20μVrms的雜訊性能(圖7)。
圖7 採用額外LC濾波器的降壓穩壓器輸出雜訊性能
高頻尖峰/振鈴雜訊
第三類雜訊是高頻尖峰和振鈴雜訊，因為輸出電壓是由切換開關穩壓器導通或關斷瞬變產生的。考慮矽電路和PCB布線中的寄生電感和電容；對於降壓穩壓器，快速電流瞬變將在SW節點處引起高頻電壓尖峰和振鈴。尖峰和振鈴雜訊會隨著電流負載的提高而提高。圖8顯示了降壓穩壓器如何形成尖峰。根據切換開關穩壓器的導通/關斷壓擺率，最高尖峰和振鈴頻率將在20MHz至300MHz範圍內，受寄生電感和電容影響，輸出LC濾波器在抑制方面可能不是非常有效。相較於上述關於傳導路徑的所有討論，最差的是來自SW和VIN節點的輻射雜訊，由於其頻率非常高，輸出電壓和其他類比電路會受到影響。
圖8 降壓穩壓器高頻尖峰和振鈴雜訊
為了降低高頻尖峰和振鈴雜訊，建議採用有效方法實施應用和晶片設計。首先，在終端負載上應使用額外的LC濾波器或磁珠。通常，這會使輸出上的尖峰雜訊遠小於漣波雜訊，但會增加更高頻率的成分。其次，應遮罩SW和輸入節點的雜訊源或使其遠離輸出側及敏感類比電路，並且遮罩輸出電感。精心布局和布線對設計很重要。第三，優化切換開關穩壓器的導通/關斷壓擺率，並盡量減小切換開關穩壓器的寄生電感和電阻，以有效降低SW節點雜訊。例如，ADI Silent Switcher技術也有助於透過晶片設計降低VIN節點雜訊。
切換開關穩壓器PSRR
PSRR反映切換開關穩壓器抑制輸入電源雜訊傳輸到輸出的能力。本部分分析低頻範圍內的降壓穩壓器PSRR性能。高頻雜訊影響輸出電壓主要是透過輻射路徑，而不是透過前面討論的傳導路徑。
根據圖9所示的降壓小訊號圖，降壓PSRR可以表示如下：
其中：
圖9 從輸入電壓到輸出的電流模式降壓小訊號圖
公式中，Fm為斜率增益，Fg為控制輸入電壓，Rcs為電流感測增益，Zo(s)為輸出電容和負載，Tv(s)為迴路傳遞函數。將訊號模式計算與模擬結果進行比較。小訊號模式是有效的，與模擬結果一致(圖10、圖11)。
圖10 採用降壓小訊號模式的PSRR計算結果
圖11 SIMPLIS模式的PSRR模擬
切換開關穩壓器的PSRR性能取決於低頻範圍內的迴路增益性能。切換開關穩壓器的固有LC濾波器可以抑制中頻範圍(100Hz至10MHz)內的輸入雜訊。此範圍內的抑制性能比LDO PSRR好得多。因此，切換開關穩壓器具有理想的PSRR性能，因為其在低頻時具有高迴路增益，而固有LC濾波器會影響中頻範圍。
全面掌握切換開關穩壓器雜訊 滿足各類元件規格
越來越多的類比電路，如ADC/DAC、時脈和PLL等，需要能提供高電流的乾淨電源。每個元件對不同頻率範圍內的電源雜訊都有不同的要求和規格。因此，全面瞭解不同類型的切換開關穩壓器雜訊並認知電源雜訊要求，從而設計和實現高效率、低雜訊切換開關穩壓器，以滿足大多數類比電路電源的低雜訊規格是有其必要的。與LDO穩壓器相比，這種低雜訊切換開關解決方案將具備更高的功效比、更小的解決方案尺寸和更低的成本。
(本文作者任職於ADI)
